传统计算机利用电荷的运动来处理数据。如果科学家也能可靠地控制电子自旋，他们可能开发出运行更快、能耗更低的全新计算方法。
由中佛罗里达大学（UCF）物理学教授Madhab Neupane领导的研究团队现已发现一种可能有助于实现这一目标的材料。Neupane及其合作者发现了交替磁性（altermagnetism）的实验证据，这是一种最近被认识的磁性形态，结合了与两种更广为人知的磁性状态——铁磁性和反铁磁性——相关的有用特征。
一种不同的磁性
铁磁性是普通磁铁中常见的磁性行为。在铁磁材料中，磁矩指向同一方向，从而产生整体的磁场。
这种行为在电子技术中可能很有价值，但它也有一个缺点。铁磁体会产生杂散磁场，干扰周围的元件，随着电子设备变得越来越小且越来越密集，这一问题日益受到关注。
反铁磁体的工作方式不同。它们的磁矩指向相反的方向，有效地相互抵消，大大减少了杂散磁场。然而，这些材料不具备使铁磁体在技术应用中具有吸引力的某些电子特性。
交替磁体可能提供这两类材料的优势。
与反铁磁体一样，它们可以在不产生不需要的杂散磁场的情况下工作。同时，它们可以产生和检测自旋电流，即电子自旋在材料中的运动。研究人员正在研究这些自旋电流最终是否能在未来的电子系统中传输信息。
Neupane及其合作者在Co1/4TaSe2中发现了交替磁性的实验特征，这是一种含有磁性钴原子的层状材料。该材料现在可以作为研究这种异常磁性状态的灵活实验平台，同时可能有助于推进电子和自旋电子技术。
“这些材料与更传统的反铁磁体的区别在于，它们能够产生和检测自旋电流，而不会产生杂散磁场的负面影响，”Neupane说。“这一新特性使它们非常适合用于许多不同的应用——包括自旋电子学、超快存储器件、太赫兹网络和节能电子设备。”
在电子行为JianCe测交替磁性
为了确定Co1/4TaSe2是否真的表现出交替磁性，研究人员检查了电子在材料内部的行为。
他们使用了角分辨光电子能谱（ARPES），这是一种允许研究人员测量电子的能量和运动并重建材料电子结构的技术。
“我们的方法是使用对电子自旋不敏感的高分辨率方法来测量能级的分裂，”Neupane说。“然后，我们用自旋分辨ARPES补充了这一测量，以最终确定这是否看起来像交替磁性。”
首次测量揭示了材料电子能带内的独特分裂。研究人员随后转向自旋分辨ARPES进行更详细的检查。
这些测量表明，分离的电子态具有相反的自旋极化，这是交替磁性所预期的一个重要特征。
JianCe地观察到这种效应并不简单。光电子技术对表面条件极其敏感，这意味着即使是少量的污染也可能掩盖科学家想要测量的电子信号。
合作者制备了高质量的Co1/4TaSe2样品，而Neupane的团队在绘制其电子特性之前，仔细检查了它们是否具有异常清洁的表面。
“一旦实验测量与我们的理论预测持续一致，其意义就变得JianCe了，”Neupane说。“看到这些独立的证据趋于一致，让我们确信我们已经发现了一种真正的层状交替磁体。”
一种超薄且高度可调的材料
交替磁性的证据并不是使Co1/4TaSe2对研究人员具有吸引力的唯一特征。
该材料由堆叠在一起的极薄片层组成。由于各层之间仅存在微弱的连接，研究人员可以将它们分离并组合成非常薄的结构。这种灵活性使层状材料对薄膜器件和其他新兴电子技术具有吸引力。
这类层状材料被称为过渡金属二硫族化物（TMDs）。
在Co1/4TaSe2中，位于层间的磁性钴原子促成了其异常的磁性特征。层状结构还赋予科学家对材料的相当大的控制权，使他们能够对其进行修改，然后观察这些变化如何影响其电子和磁性特性。
研究人员还想确定与交替磁性相关的电子特征来自何处。
在这些实验之前，科学家们不知道层状材料中重要的交替磁性特征主要源于表面还是材料更深处。
测量表明，相关的电子态主要来自材料内部，并显示了交替磁序的明确证据。
“在一种多功能材料平台中找到交替磁性的证据开辟了许多新的可能性，”该研究的主要研究生研究员Milo Sprague说。“目前在交替磁性理论中，关于自旋极化电子态如何与其他磁现象相互作用存在很多争论。现在我们有了一种可以轻松修改的材料来探索这些新问题。”
利用电子自旋开发未来电子设备
几乎所有的传统电子设备都依赖电子电荷来传输和处理信息。但电子还具有自旋，这是研究人员希望可用于计算的另一种内禀属性。
致力于在电子设备中使用电子自旋的领域被称为自旋电子学。
交替磁体对自旋电子学特别有吸引力，因为它们可以产生和检测自旋电流，而不会产生与传统铁磁体相关的令人头疼的杂散磁场。
“随着电子设备继续缩小，研究人员需要能够运行更快同时消耗更少能量的新材料，”Neupane说。
层状材料已经在被研究用于从极小的晶体管到光学技术和其他先进电子设备的应用。另外，研究人员正在研究使用自旋电流传输数字信息的方法。
层状交替磁体有可能将这两个领域联系起来。它们极薄且可调的结构可能使控制电子自旋成为可能，同时避免普通磁铁产生的磁干扰。
“如果这种方法证明可行，那么层状交替磁体将处于电子设备发展的前沿，”Neupane说。
关于交替磁性的主要问题仍然存在
这一发现还为研究人员提供了对基础科学来说重要的东西：一种可以修改和研究的材料，科学家们正在调查围绕Co1/4TaSe2中交替磁性的许多未解问题。
研究人员仍然不完全理解为什么这种异常磁性状态会形成，为什么它有时比竞争性的磁性排列（包括铁磁性和其他形式的反铁磁性）更有优势，或者它在不同条件下究竟如何表现。
理论工作表明，电子之间的竞争性相互作用可能会影响哪种类型的磁序发展。科学家们现在正试图确定这些理论在多大程度上准确地描述了实际材料中发生的情况。
“关于交替磁体工作原理的理论还有许多细节尚未被探索或验证，”Neupane说。“既然我们已经确定了几个回答这些问题的平台，对这些材料的更高级研究正在进行中。”
由于研究人员可以改变Co1/4TaSe2并跟踪其特性的响应方式，该材料为探索交替磁性并确定它如何与其他磁性和电子效应相互作用提供了一个有价值的新试验场。
本材料基于美国能源部科学办公室在奖项编号DE-SC0024304下支持的工作。